Organeller i celler är små motorer som kapslar in processer som gör att cellerna kan leva.

Men forskare har nyligen upptäckt att vissa organeller inte är bundna av ett membran, och att studera dessa fack i bakterier kan öppna dörrar för att förstå hur man får vissa bakterier att frodas, och hur man omintetgör andra.

Under det senaste decenniet, forskare har insett att eukaryota celler - celler som innehåller en membranbunden kärna och organeller - också använder vad som kallas membranlösa organeller. Dessa membranlösa organeller begränsar en mängd olika processer för att cellerna ska kunna fungera korrekt, säger Anthony Vecchiarelli, biträdande professor i molekylär, cellulär och utvecklingsbiologi vid University of Michigan.

Nu, en U-M-recension ledd av doktoranden Christopher Azaldegui och inklusive Vecchiarelli och Julie Biteen, docent i kemi och biofysik, visar hur membranlösa organeller också verkar i bakterieceller. Granskningen karakteriserar 10 exempel på membranlösa organeller som finns i en mängd olika bakterier, som kan regleras/bildas genom en process som kallas vätske-vätskefasseparation.

"Du kan tänka på det som när du blandar olja med vinäger:båda förblir flytande, men de skiljer sig från varandra, sa Vecchiarelli.

Vätskedroppar bildas när biomolekyler som proteiner och nukleinsyror som RNA separeras från cellens cytoplasma. Dessa vätskedroppar samlas genom svaga interaktioner - antingen protein-protein-interaktioner eller protein-nukleinsyra-interaktioner. Dessa membranlösa organeller är involverade i en mängd olika processer i bakterier såsom metabolism, kromosomorganisation, kromosomsegregering, celldelning, patogenes och DNA-replikation, översättning och transkription.

Det är viktigt att förstå hur dessa membranlösa organeller fungerar eftersom de är mycket mer känsliga än membranbundna organeller för förändringar i sin miljö inklusive temperaturen, surheten i cellcytoplasman eller tillgången på näringsämnen i cellen. Till exempel, Azaldegui beskriver en transportör i bakterien tuberkulos som kan genomgå fasseparation för att montera det maskineri som behövs för tuberkulos virulens. Att störa den vätske-vätskefasseparationen skulle störa bakteriens sjukdomsutveckling.

Vecchiarellis labb studerar speciellt karboxisomen, en kolfixerande organell som finns i cyanobakterier (ofta kallade blågröna alger), en typ av bakterier som kan orsaka sjukdom hos människor eller andra djur som möter den. Men karboxisomen omvandlar koldioxid från atmosfären till socker som cyanobakterierna använder för att växa. Cyanobakterier som matas av atmosfärisk koldioxid spelar en nyckelroll i den globala kolbindningen.

"Bortsett från deras förmåga att producera gifter, cyanobakterier är också ansvariga för att fixera nästan 35% av allt globalt kol, till stor del på grund av karboxysomens förmåga att koncentrera kol", sa Vecchiarelli. "Att förstå hur karboxisomen tar bort koldioxid från vår atmosfär har verkligen viktiga roller för att förstå hur man kan mildra klimatförändringarna."

Forskare har just nu börjat identifiera membranlösa organeller i bakterier eftersom bakterier är så mycket mindre än eukaryota celler - i storleksordningen 10 till 100 gånger mindre, säger Azaldegui. Med denna recension, Azaldegui hoppas kunna tillhandahålla en plattform för att studera membranlösa organeller i bakterier på ett mer standardiserat sätt - i det här fallet, använder en teknik som kallas superupplösningsmikroskopi, en teknik som han utvecklar i Julie Biteens labb.

"Genom att använda fluorescensmikroskopi för att detektera och exakt lokalisera positionen för en molekyl i taget, vi kan lösa organisation och rörelse, även inuti bakterieceller. Detta tillvägagångssätt är särskilt viktigt eftersom det är kompatibelt med levande celler, sa Biteen, docent i kemi och biofysik.

Lasrarna och provberedningen skadar inte cellerna, och fluorescensavbildning utförs i ett standardbänkmikroskop, till skillnad från elektronmikroskopi som kräver en vakuumatmosfär där celler inte kan leva.

"I professor Biteens labb, vi har utvecklat superupplösningsmikroskopiverktyg som bryter den konventionella upplösningsgränsen för att faktiskt se strukturer på 10 till 30 nanometerskalan, " sa Azaldegui. "Jag började fundera på hur dessa verktyg skulle vara ganska användbara för att studera membranlösa organeller, och hur jag kan utveckla ett mer rigoröst och kvantitativt sätt att bedöma dessa droppar i bakterier."